Information

64 PowerXL Frequenzumrichter
Allgemeine Informationen zur Projektierung
CA04020001Z-DE-INT www.eaton.eu
Allgemeine Informationen zur Projektierung
Steuerverfahren
Die IGBTs im Wechselrichter der
Frequenzumrichter werden mit einer
sinusbewerteten Puls-Weiten-Modu-
lation (PWM) gesteuert. In der Praxis
unterscheidet man dabei folgende
Steuerverfahren:
• Spannungs-Frequenz-Steuerung
(U/f-Steuerung),
• U/f-Steuerung mit Schlupfkompen-
sation
• sensorlose Vektorsteuerung (Dreh-
zahlsteuerung),
• Vektorregelung, Drehzahlregelung
(closed loop).
Die Spannungs-Frequenz-Steuerung
ist das bekannteste und am häufigsten
angewandte Verfahren. Hierbei wird
über eine einfache Kennlinie (linear
oder quadratisch) die Drehfeldfre-
quenz für den Motor vorgegeben und
die entsprechende dreiphasig verkette
Motorphasenspannung derart ausge-
wählt, dass der Motor weder unter-
noch übermagnetisiert ist.
Hauptanwendungen der U/f-Steue-
rung sind:
• Pumpen- und Lüfterantriebe,
• Horizontale Förder- und Transport-
einrichtungen,
• Mehrmotorenantriebe (Parallelbe-
trieb mehrerer Motoren im Ausgang
eines Frequenzumrichters).
Bei der U/f-Steuerung mit Schlupf-
kompensation kann die lastabhängige
Drehzahländerung bei Einzelantrieben
kompensiert werden (sensorlos).
Bei der sensorlosen Vektorsteuerung
werden die Magnetfelder von Läufer
und Ständerwicklung gegeneinander
ausgerichtet. Beim Asynchronmotor
muss dazu der magnetische Fluss im
Läufer über ein elektronisches Motor-
modell nachgebildet werden. Dies
erfordert die Eingabe der physikali-
schen Parameter vom Leistungsschild
des Motors.
Im Vektorbetrieb kann der Frequenz-
umrichter nur einen einzelnen Motor
im Ausgang steuern. Der Parallelbe-
trieb mehrerer Motoren ist hier nicht
möglich. Durch die exakte Berech-
nung der Phasenspannungen im
Ausgang des Frequenzumrichters wird
allerdings das Betriebsverhalten des
einzelnen Motors verbessert. Zudem
wird im unteren Drehzahlbereich die
Motorerwärmung reduziert. Die feld-
orientierte Vektorsteuerung bewirkt
eine deutliche Erhöhung der Antriebs-
dynamik sowie eine Leistungsoptimie-
rung und steigert die Anzahl der
Verwendungsmöglichkeiten.
Hauptanwendungen der sensorlosen
Vektorsteuerung sind:
• Materialbearbeitungs- und verar-
beitungsmaschinen,
• Verdichter (Kompressor),
• Schweranlauf (Extruder, Rühr-
werke, Mischer),
• Hub- und Hebeeinrichtungen (verti-
kale Förderung, Kran, Aufzug).
Bei der Vektorregelung dient der
Ausgangsstrom des Frequenzumrich-
ters als Regelgröße. Der Drehstrom-
motor kann dadurch optimal auf die
Drehmomentforderung angepasst
werden. In Verbindung mit einem
Drehzahlgeber (Tacho, Impulsgeber)
kann die Motordrehzahl geregelt
werden (closed loop).
Motormodell
Unabhängig vom Steuerverfahren
berechnet ein Frequenzumrichter aus
gemessenen Spannungs- und Strom-
werten der Ständerwicklung (u1, i1)
die erforderliche Stellgröße für die
flussbildende Größe i
μ
und die dreh-
momentbildende Größe im Läufer iw.
Der lastabhängige Schlupf des Motors
ist als Widerstand R‘2/s abgebildet. Im
unbelasteten Leerlauf geht dieser
Wert gegen unendlich (iw → 0). Mit
zunehmender Last geht dieser Wider-
standswert gegen Null. Der Strom im
Läufer wird größer.
Erläuterungen
EMV = Elektromagnetische
Verträglichkeit
EVU = Energieversorgungsunter-
nehmen
IGBT = Insulated-Gate-Bipolar-
Transistor
PDS = Power Drives System (Antriebs-
system)
RCD = Residual Current Device
(Fehlerstromschutzeinrichtung)
① Ständerwicklung
② Luftspalt
③ transformierte Läuferwicklung
Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Drehstrommotors
R
1
①③②
X'
2
X
1
i
1
i
w
u
1
X
h
i
μ
R'
2
s
Energieeffiziente Antriebstechnik (ERP-Richtlinie)
Die Notwendigkeit zur Energieeffizienz in einem PDS und gesetzliche Vorgaben
(EC 640/2009) haben die Mindestwirkungsgrade von Motoren neu festgeschrieben.
Danach müssen alle ab dem 1. Januar 2017 neu in den Verkehr gebrachte Motoren
im Leistungsbereich von 0,75 bis 315 kW mindestens die Wirkungsgradklasse IE3
erreichen oder der Wirkungsgradklasse IE2 entsprechen, wenn sie mit einer
elektronischen Drehzahlregelung (Frequenzumrichter, Drehzahlstarter) betrieben
werden. Unter diesen Rahmenbedingungen sind heute folgende Ausprägungen von
Drehstrommotoren dominant:
• Drehstrom-Asynchronmotor (DASM),
• Permanentmagnetmotor (PM),
• Synchron-Reluktanzmotor (SynRM)
Diese drei Motortechnologien haben bei identischer Effizienzklasse einen
vergleichbaren Wirkungsgrad im Nennbetriebspunkt. Deutliche Unterschiede gibt
es dagegen beim Anlaufverhalten, im Teillastbetrieb, bei den Anschaffungskosten
und in der Baugröße.
Der Asynchronmotor funktioniert nach dem bekannten Prinzip, bei dem durch die
Bildung von Magnetfeldern in Stator und Rotor eine Abstoßung und dadurch eine
Drehbewegung entstehen. Er kann direkt am elektrischen Netz anlaufen.
PM-Motor sind Synchronmotoren, das heißt es gibt keinen Schlupf zwischen Rotor-
und Statordrehfeld. Für die Magnetisierung des Rotors sorgen die Magnete. Das
reduziert die Verluste im Rotor und erhöht den Wirkungsgrad, speziell bei niedriger
Drehzahl. Für den Start und Betrieb benötigt der PM-Motor einen Frequenz-
umrichter (DA1).
Beim SynRM-Motor haben die Rotorbleche spezielle Schnittmuster. Sie führen die
Magnetlinien in das Innere des Rotors und erzeugen ein sogenanntes Reluktanzmo-
ment. Dieses resultiert aus einer Änderung des magnetischen Widerstands und
zeichnet sich ab etwa 11 kW durch einen sehr guten Wirkungsgrad bei reduzierten
Drehzahlen auf, der sich unter Last ändert. Auch hier werden ein reibungsloser
Betrieb und eine optimale Drehzahlregelung nur mit Frequenzumrichtern (DA1)
gewährleistet.
Prinzipiell lassen sich alle drei Varianten mit der sogenannte U/f-Kennlinie
betreiben, allerdings garantieren nur speziell auf die jeweilige Motortechnologie
angepasste Regelalgorithmen die Effizienzvorteile der einzelnen Technologien. Nur
mit solchen Algorithmen lässt sich der Motorbetrieb auch bei wechselnden Lasten
in jedem Arbeitspunkt optimieren.